一代材料、一代工藝、一代裝備。工藝與設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步將極大的支撐并推動化合物半導(dǎo)體的發(fā)展進(jìn)程。半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步也在推動裝備企業(yè)不斷追求技術(shù)革新。
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在2023年深圳國際電子展論壇上北方華創(chuàng)?張軼銘博士給大家分享了《面向化合物半導(dǎo)體的裝備與工藝解決方案》。
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報告從化合物是未來半導(dǎo)體高速發(fā)展的方向之一、未來中國必將成為化合物半導(dǎo)體創(chuàng)新和應(yīng)用中心、北方華創(chuàng)的關(guān)鍵設(shè)備等方面給大家做了詳細(xì)分析。
一、化合物是未來半導(dǎo)體高速發(fā)展的方向之一
1、?AI時代，化合物半導(dǎo)體應(yīng)用愈加廣泛
ChatGPT上市后，僅兩個月時間,月活躍用戶量就達(dá)到了1億人，成為世界上突破月活1億人用時最短的軟件。
2030危機? AI發(fā)展與能源之間的矛盾全球通用計算的總能耗繼續(xù)呈指數(shù)級增長，而世界能源生產(chǎn)僅每年增長約2%，矛盾凸顯。有機構(gòu)預(yù)計2030年AI會消耗全球電力供應(yīng)的50%。
加快AI訓(xùn)練和推理過程幫助AI穩(wěn)定運算
化合物芯片具有更高的工作頻率和更低的功耗，熱傳導(dǎo)性能好，更有效地散熱在AI應(yīng)用中涉及大是的數(shù)據(jù)處理、計算傳輸使用化合物芯片可使整體電能利用效率顯苦提升，電力電子裝暨小型化，且其優(yōu)異散熱特性有助于維持芯片的穩(wěn)定性和可靠性。
推動可再生能源發(fā)展推動能源電氣化、電力低碳化
推動新能源應(yīng)用；應(yīng)用于高效光伏電池、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能源裝置，提升能顯轉(zhuǎn)換效率；應(yīng)用促使新能源汽車低功耗化提高電力轉(zhuǎn)化效率，減少能源損耗：用于制造高效節(jié)能的變頻器，逆變器等電力轉(zhuǎn)換裝置提高電力轉(zhuǎn)換效率，較低的電阻和導(dǎo)熱系數(shù)減少電纜、電機等裝置的能是損耗。
未來將進(jìn)入數(shù)字能源時代，全面推進(jìn)低碳化、電氣化、智能化轉(zhuǎn)型；
化合物半導(dǎo)體助力AI技術(shù)向更高計算性能、更低功耗發(fā)展；
化合物推動可再生能源發(fā)展，改善能源結(jié)構(gòu)，加速低碳化轉(zhuǎn)型。
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2、新能源持續(xù)升級，化合物半導(dǎo)體前景廣闊
新能源汽車和光伏等產(chǎn)業(yè)的需求驅(qū)使相應(yīng)的電力系統(tǒng)升級，推動功率器件向高電壓、大功率方向持續(xù)發(fā)展，SiC器件逐步替代部分Si基功率器件趨勢較為明確。
根據(jù)Yole預(yù)測，2027年SiC器件的市場規(guī)模將達(dá)63億美元，SiC器件的需求強勁，其中75%以上的器件會用在電動汽車上。
功率SiC的市場規(guī)模預(yù)測(百萬美元) 數(shù)據(jù)來源：Yole
3、化合物半導(dǎo)體高度契合光伏逆變器演進(jìn)方向
在世界能源轉(zhuǎn)型的大趨勢下，光伏產(chǎn)業(yè)正迎來高光時刻。
化合物半導(dǎo)體光伏逆變器是未來發(fā)展趨勢，主要有以下優(yōu)點
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使用壽命更長：相比于Si-IGBT，SiC 器件在惡劣環(huán)境中更耐用，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。
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轉(zhuǎn)換效率更高：使用 SiC逆變器，轉(zhuǎn)換效率可提升至99%?以上
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更節(jié)能：同規(guī)格下，與Si-IGBT相比，SiC MOSFET能量損失能夠減少66%。
二、未來中國必將成為化合物半導(dǎo)體創(chuàng)新和供應(yīng)中心
1、有市場需求：中國是全球最大的光伏、新能源汽車市場
IEA在其報告中表示，今年全球可再生能源新增裝機容量預(yù)計將激增至440 GW，光伏發(fā)電將占三分之二。
中國光伏裝機量已經(jīng)連續(xù)10年全球第一，裝機需求占全球的44%。
2018-2022年全球光伏裝機量?數(shù)據(jù)來源：IEA
全球新能源汽車市場呈現(xiàn)指數(shù)級增長，2022年銷量突破了1000萬輛，滲透率達(dá)到14%。IEA預(yù)測，新能源汽車銷量將在2023年繼續(xù)保持強勁增長，到2023年底銷售量將達(dá)到1400萬輛，同比增長35%。
中國、美國和歐洲是全球新能源汽車銷量的主要驅(qū)動力。約占全球新能源汽車銷量的60%。
2010-2022年全球新能能源汽車銷量數(shù)據(jù)來源：IEA
2、有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)：中國化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈齊全
中國玩家正在構(gòu)建以基質(zhì)自國家打造技術(shù)自主供應(yīng)鏈的國家政策出臺以來，SiC已成為賦能蓬勃發(fā)展的中國電動汽車市場的關(guān)鍵技術(shù)。為主要重點的各個層面的生態(tài)系統(tǒng)，并且正在進(jìn)行大量投資。國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)鏈齊全，并且已初具規(guī)模和競爭力，在良好的政策和產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，必將快速發(fā)展，成為創(chuàng)新和供應(yīng)中心。
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3、有經(jīng)驗?zāi)Ｊ剑汗夥cLED的成功經(jīng)驗借鑒
中國在LED產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)的成功經(jīng)驗，對于碳化硅行業(yè)的發(fā)展具有借鑒意義。中國LED產(chǎn)業(yè)起步階段，芯片主要依賴進(jìn)口。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，現(xiàn)已形成了上中下游完整的產(chǎn)業(yè)鏈，成為全球LED芯片的主要供應(yīng)國家。2022年，中國LED廠商全球市占率高達(dá)95%。其中大陸廠商市占為64%，臺灣地區(qū)市占為31%。其中，國產(chǎn)設(shè)備覆蓋率極高，以刻蝕機為例，國產(chǎn)率達(dá)到90%以上
中國大陸LED芯片全球占比?(%)數(shù)據(jù)來源：行家說
二十年前，中國第一條電池生產(chǎn)線和組件生產(chǎn)線中的所有設(shè)備、硅片和原材料全部來自國外進(jìn)口。2022年，中國光伏制造業(yè)在太陽能電池板的全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)，從硅料、硅錠、硅片到電池、組件，都占據(jù)了全球70%以上的產(chǎn)能。
其中，國產(chǎn)設(shè)備覆蓋率達(dá)100%，為產(chǎn)業(yè)鏈提供了強有力的支撐。
2022年中國在全球光伏制造環(huán)節(jié)的產(chǎn)能比重數(shù)據(jù)來源:?中國光伏行業(yè)協(xié)會
4、有技術(shù)儲備:?國產(chǎn)SiC二極管滲透率逐步提升
2014年起，國內(nèi)SiC二極管產(chǎn)業(yè)逐漸打破了國外技術(shù)的商業(yè)壟斷?，F(xiàn)在國產(chǎn)碳化硅二極管已經(jīng)能夠穩(wěn)定交付，整體產(chǎn)業(yè)鏈也較為完善國內(nèi)從事碳化硅二極管業(yè)務(wù)的廠商多達(dá)上百家。
國產(chǎn)SiC二極管在光伏、充電樁甚至汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一定的滲透率和國產(chǎn)替換。
國內(nèi)量產(chǎn)的SiC二極管產(chǎn)品覆蓋600V-3300V，1A-155A等多款規(guī)格。據(jù)三代半聯(lián)盟不完全統(tǒng)計，國內(nèi)至少有15家企業(yè)提供954款SiC二極管產(chǎn)品。
2022年部分國內(nèi)企業(yè)SiC二極管產(chǎn)品進(jìn)展數(shù)據(jù)來源:?CASA
2022年，1200V二極管的價格降至0.9元/A，650V二極管價格降至0.65元/A。
碳化硅二極管價格走勢?(元/A)數(shù)據(jù)來源：德邦研究所
5、有追趕速度:?SiC?MOSFET技術(shù)追趕，前景可期
SiC MOSFET的主要應(yīng)用領(lǐng)域在電動汽車，用于OBC、DC/DC、主驅(qū)逆變器，當(dāng)前供應(yīng)以國外器件為主。
國內(nèi)的SiC MOSFET器件不斷有技術(shù)突破，已經(jīng)在車載 OBC、DC/DC 甚至電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。通過搭乘國內(nèi)新能源汽車風(fēng)口，主驅(qū)逆變器中采用國產(chǎn) SiC MOSFET 也將指日可待。
在電動車?yán)铮黩?qū)逆變器占據(jù)SiC市場的92%。
2022年電動汽車市場銷售額按產(chǎn)品類型占比數(shù)據(jù)來源:?Yole
全球碳化硅車型中，主驅(qū)的SiC MOSFET供應(yīng)商為ST、onsemi、英飛凌、博世、羅姆等頭部供應(yīng)商，產(chǎn)品供不應(yīng)求。
國內(nèi)SiC芯片企業(yè)已開始上車，未來成長空間可觀
6、中國必將成為全球化合物半導(dǎo)體創(chuàng)新和供應(yīng)中心
天時：有市場，堅定走綠色低碳道路占全球三分之一的消費市場市場驅(qū)驅(qū)動EV進(jìn)入發(fā)展快車道供應(yīng)全球80%的光伏組件。
地利：有土壤，產(chǎn)業(yè)鏈布局全面政策導(dǎo)向，投資火熱從弱到強的成功經(jīng)驗制造強國。
人和：有種子，國產(chǎn)襯底片獲得國際認(rèn)可國產(chǎn)外延片大批量供應(yīng)國際大廠國產(chǎn)SiC SBD產(chǎn)量持續(xù)走高siC MOSFET芯片技術(shù)開始突破。
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三、北方華創(chuàng)助力化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展
北方華創(chuàng)面向SiC領(lǐng)域提供專業(yè)裝備解決方案，SiC長晶爐、SiC外延、ETCH、PVD、PECVD、LPCVD 等設(shè)備國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，與頭部客戶全面合作，推動化合物領(lǐng)域爆發(fā)式發(fā)展。
1、SiC長晶
預(yù)計年底出貨超過2500臺，市占率領(lǐng)先
6吋設(shè)備出貨量過千臺，具有豐富的量產(chǎn)設(shè)備經(jīng)驗，具備300臺/月的交付能力。
流水線生產(chǎn)6吋SiC長晶設(shè)備，能夠充分保證設(shè)備的穩(wěn)定性和一致性。
針對8吋SiC長晶設(shè)備市場，同時開發(fā)了3種機型，匹配不同客戶的需求：電阻式加熱爐、感應(yīng)式雙線圈加熱爐感應(yīng)式單線圈加熱爐。
2、SiC外延
挑戰(zhàn)：產(chǎn)能低、PM周期短、自動程度低
趨勢：增加產(chǎn)能、延長PM周期、提高自動化程度、大尺寸
6吋單片機臺累計出貨~100臺，國內(nèi)SiC外延裝備市占率第一
擁有良好的溫場與氣流場控制能力，膜厚均勻性≤1.5%，量產(chǎn)工藝表現(xiàn)優(yōu)異。
針對8吋大尺寸發(fā)展趨勢，開發(fā)6/8兼容新設(shè)備：3x 6”/1x8”，提高6吋片產(chǎn)能。
開發(fā)搭載自動傳片系統(tǒng)，進(jìn)一步提高設(shè)備量產(chǎn)能力。
開發(fā)等離子體原位清洗技術(shù)，延長維維護(hù)周期。
3、SiC器件刻蝕
成本及器件尺寸的挑戰(zhàn):?追求更小尺寸的器件結(jié)構(gòu)
器件耐壓性能提升的挑戰(zhàn):追求更高深寬比、更圓滑形貌
更高密度：從平面MOSFET轉(zhuǎn)向溝槽MOSFET
NAURA-SiC器件刻蝕(金屬/介質(zhì)/poly-Si/SiC)產(chǎn)品解決方案
應(yīng)用于SiC器件的刻蝕機出貨量200+，市占率領(lǐng)先
SiC?trench?刻蝕的圓滑度、側(cè)壁光滑度會影響器件的耐壓表現(xiàn)
NAURA專屬開發(fā)的SiC高速、高密度等離子體刻蝕機，具備獨特優(yōu)勢，出貨量 50+。
提供金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕、poly-Si刻蝕機等多種機型，NAURA在SiC器件領(lǐng)域具備完整的刻蝕解決方案。
4、SiC高溫爐
柵氧SiC/SiO2界面缺陷密度高，器件電子遷移率低
高溫設(shè)備多應(yīng)用領(lǐng)域拓展
NAURA-SiC高溫氧化/激活產(chǎn)品解決方案
累計訂單量~30臺，在多家客戶穩(wěn)定量產(chǎn)
解決了超高溫爐體密封、溫場控制與污染控制技術(shù)。
SiC高溫爐作業(yè)后的SiC MOSFET器件，通道遷移率、柵氧質(zhì)量、界面態(tài)密度等指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異。
溝道遷移率最大達(dá)到25cm2/vs，與Baseline相當(dāng)，助力客戶實現(xiàn)國產(chǎn)機臺替代。
柵氧膜質(zhì)量可靠，本征擊穿強度達(dá)到9.4 MV/cm，接近氧化硅材料理論擊穿強度。
界面缺陷密度低于6.5E11/cm2·V1，高于目前產(chǎn)線的平均水平。
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5、?HOT?AL
NAURA-SiC?Hot?AL產(chǎn)品解決方案
熱鋁機臺累計出貨200+腔量產(chǎn)經(jīng)驗豐富，完成主流客戶工藝驗證
系統(tǒng)支持10個工藝腔室，兼容6/8吋晶圓。
豐富的熱鋁工藝經(jīng)驗，Al腔室Heater2500°C，更大的工藝窗口。
?6、RTP
精準(zhǔn)控制總熱預(yù)算，實現(xiàn)電極與半導(dǎo)體間有良好的歐姆接觸
6吋SiC提升到8吋快速升降溫的精準(zhǔn)控制
NAURA-SiC?RTP產(chǎn)品解決方案
6&8吋兼容的化合物半導(dǎo)體RTP設(shè)備
開發(fā)6&8時兼容的化合物RTP設(shè)備，滿足300-1200°C全溫度段可控。
可分段調(diào)節(jié)升溫過程中的功率參數(shù)，快速形成均勻溫場，滿足客戶的多功能化需求。
結(jié)合紅外加熱技術(shù)、溫控系統(tǒng)，實現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，溫度均勻性≤3.5°C@1000°C (SPEC≤±5°C)。
四、設(shè)備廠商視角下的產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展之道
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產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要應(yīng)用端的積極牽引，發(fā)揮市場優(yōu)勢，以規(guī)?；漠a(chǎn)品應(yīng)用來驅(qū)動技術(shù)迭代。
產(chǎn)業(yè)前進(jìn)需要更深度的戰(zhàn)略合作，深度前瞻性技術(shù)投入、Total工藝整合方案、與供應(yīng)商攜手的設(shè)計創(chuàng)新等。
8吋將是化合物半導(dǎo)體設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用的主戰(zhàn)場，北方華創(chuàng)在8吋設(shè)備應(yīng)用和開發(fā)方面具備較多經(jīng)驗積累。
設(shè)備廠商是賦能化合物半導(dǎo)體成本降低的主力軍，推動國產(chǎn)化，更低的設(shè)備擁有成本，創(chuàng)新的設(shè)備架構(gòu)賦能產(chǎn)能提升等。
成為一個成熟的行業(yè)，化合物半導(dǎo)體必將經(jīng)歷整合和并購，大裝備平臺提供更高效、更全面的解決方案，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入高效模式。
化合物芯片在未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中將會扮演越來越重要的角色。
在產(chǎn)業(yè)同仁攜手努力下，中國化合物企業(yè)必將走上世界舞臺，助力高端器件中國制造。北方華創(chuàng)圍繞化合物產(chǎn)業(yè)鏈打造全面裝備解決方案，提供長晶、外延、刻蝕、薄膜、高溫氧化/激活等多種核心裝備解決方案，已實現(xiàn)批量應(yīng)用，全力支持客戶技術(shù)創(chuàng)新和迭代。呼吁產(chǎn)業(yè)鏈同仁進(jìn)一步協(xié)同創(chuàng)新，深度綁定，構(gòu)建化合物半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。
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